亚快速凝固奥氏体不锈钢组织形成及演化规律研究

论文摘要

亚快速凝固是介于近平衡低速凝固和远离平衡的快速凝固之间的过渡区,典型亚快速凝固的冷却速率范围为100-103 K/s。在这个区间凝固体系的凝固组织形态、溶质元素分布及界面稳定性等重要特征都发生了显著的变化,出现了许多新现象和新问题。因此,研究亚快速凝固的机理对于完善凝固理论和解决与凝固相关的实际问题都具有十分重要的意义。本文首先从理论上对奥氏体不锈钢的凝固顺序进行了预测,然后采用定向凝固、水冷铜模及真空吸铸方法系统研究了Cr-Ni奥氏体不锈钢亚快速凝固范围内组织形成及演化过程。依据最高界面温度准则分析了温度梯度对界面稳定性的影响,并对奥氏体不锈钢的凝固顺序进行了分析。计算结果表明:随着温度梯度的降低,平界面更易失稳向低速胞状演化;平界面生长范围逐渐减小,而胞/枝界面生长范围逐渐扩大。对于AISI 304不锈钢,当生长速率低于临界值4.2 cm/s时,铁素体将以胞/枝形貌稳定生长;当生长速率高于4.2 cm/s时,奥氏体的界面温度将会超过铁素体的界面温度,将取代稳定铁素体相成为初生相。对于合金18Cr-8Ni来说,不存在初生相竞争问题,即铁素体始终为初生相。合金18Cr-8.76Ni、18Cr-9Ni、18Cr-10Ni、18Cr-11Ni凝固过程均存在凝固顺序转变现象,随着合金Cr/Ni比的提高,铁素体向奥氏体转变的临界生长速率逐渐提高,奥氏体作为初生相析出越困难。在亚快速凝固低速阶段采用定向凝固手段开展了一系列工作。结果表明定向凝固过程中AISI 304不锈钢铁素体形貌复杂多样,随着冷速的增加,依次出现块状铁素体、骨架状铁素体、板条/类板条铁素体、胞状铁素体以及条带状铁素体。块状铁素体形成于冷速较低的固态相变过程。首先两相组织以团簇状从熔体中析出,铁素体呈板条形貌。在固态相变过程中,由于奥氏体长大时出现局部成分偏析,随着温度的降低奥氏体变得不稳定,在板条铁素体间不稳定的奥氏体区域析出许多细小的团簇状铁素体,固态相变结束后形成块状铁素体。揭示了板条/类板条组织的形成过程,并对其形成机理进行了分析。两相共生生长组织形成时,铁素体首先从熔体中形核长大,随着熔体过冷的增加,在铁素体达到稳态生长前,奥氏体在铁素体前沿形核并长大。奥氏体相形核后,熔体相对铁素体是过冷的,因此,平衡凝固的枝晶铁素体被抑制,两相将同时从熔体中长大,形成了两相耦合生长组织,固态相变后即为板条组织。在AISI 304不锈钢较高冷却速率下的定向凝固实验中,观察到了胞状铁素体及条带状分布的铁素体。胞状铁素体是由较高冷却速率条件下枝晶铁素体二次臂退化演变来的;条带状铁素体的形成是由于铁素体枝晶生长过程中,一次臂间距的不稳定性及选择导致的。在亚快速凝固高速阶段采用真空吸铸方法开展了研究工作。铸造薄带的组织由两侧的柱状晶及中心的等轴晶组成;在薄带表层由于极高的冷却速率,初生相由柱状铁素体转变为胞状奥氏体;在薄带中心由于散热方式的变化,由柱状铁素体过渡为等轴铁素体。铸模材料对薄带的宏观组织中柱状区所占比例有着重要的影响,导热性能好的材料组织中柱状区比例较高。在真空吸铸时,合金的熔炼条件对其宏观组织的组成有着重要的影响,熔炼坩埚的隔热效果越好,其组织中柱状晶所占的比例越大。采用楔型缝隙结晶器研究了冷却速率及合金成分对奥氏体不锈钢组织的影响。对于18Cr-7Ni和18Cr-8Ni合金,较低冷却速率下出现魏氏组织,较高冷却速率下铁素体为骨架状;对于18Cr-9Ni、17.93Cr-8.76Ni、18.77Cr-10.59Ni及AISI 304不锈钢,均未出现魏氏组织。在冷却速率较低时,铁素体均以骨架形态出现,较高冷却速率下出现铁素体形态转变;进一步提高冷却速率,合金的初生相由铁素体变为枝晶奥氏体;在更高的冷却速率下,奥氏体由枝晶变为胞状晶。对于Cr含量为18%的合金,Ni含量越高,奥氏体越易以初生相的形式析出;在合金的Cr、Ni百分含量相同的条件下,微量元素有助于初生奥氏体形成;在相同（Cr/Ni）eq的条件下,Cr-Ni奥氏体不锈钢形成初生奥氏体的能力要低于纯三元Fe-Cr-Ni合金。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题目的和意义
• 1.2 凝固理论的研究现状
• 1.2.1 凝固理论的重要进展
• 1.2.2 非平衡凝固溶质再分配模型
• 1.2.3 亚快速凝固的研究现状
• 1.2.4 定向凝固界面形态演化
• 1.2.5 组织及相选择理论
• 1.3 国内外不锈钢凝固的研究现状
• 1.3.1 不锈钢的凝固行为
• 1.3.2 奥氏体不锈钢的凝固组织
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 研究方法
• 2.1 相选择理论分析
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 实验材料
• 2.2.2 亚快速凝固实验装置
• 2.2.3 凝固实验
• 2.2.4 试样的处理与分析方法
• 第3章 不锈钢亚快速凝固相/组织选择
• 3.1 引言
• 3.2 相/组织选择模型的建立
• 3.2.1 平界面生长
• 3.2.2 胞/枝晶生长
• 3.2.3 相/组织选择模型
• 3.3 AISI 304 不锈钢相/组织选择计算
• 3.4 合金成分对相/组织选择的影响
• 3.5 本章小结
• 第4章 AISI 304不锈钢亚快速定向凝固组织演化
• 4.1 引言
• 4.2 抽拉速率对AISI 304 不锈钢铁素体形态的影响
• 4.2.1 骨架状铁素体的形成
• 4.2.2 板条状铁素体的形成
• 4.2.3 胞状铁素体的形成
• 4.2.4 条带状铁素体的形成
• 4.3 AISI 304 不锈钢组织演化及形成机理
• 4.3.1 块状组织的演化及其形成机理
• 4.3.2 板条组织的形成与演化
• 4.3.3 类板条组织的形成与演化
• 4.3.4 两相共生组织的形成机理
• 4.4 本章小结
• 第5章 亚快速凝固不锈钢薄带的组织演化
• 5.1 引言
• 5.2 真空吸铸薄带组织的形成及演化
• 5.2.1 凝固织织形成分析
• 5.2.2 凝固组织的控制
• 5.3 冷却速率对不锈钢组织的影响
• 5.4 合金成分对不锈钢组织的影响
• 5.5 相选择理论计算与实验对比
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历